Trillen en tijdreizen

Exact meten van tijd

Een minuut met je hand op een hete kachel duurt zonder twijfel langer dan een minuut in de armen van een geliefde (vrij naar een — betwiste — uitspraak van Einstein). Kortom: tijd is relatief. Toch is het exact meten van de tijd cruciaal voor allerlei toepassingen, zoals de financiële sector, telecommunicatie en het leren kennen van de kleinste deeltjes in de natuur: moleculen, atomen en elektronen.

Dat laatste doet Jeroen Koelemeij, universitair docent aan de Vrije Universiteit Amsterdam. “Ons begrip van de scheikunde en biologie hangt samen met hoe goed we die atomen en moleculen begrijpen. Dat is belangrijk voor allerlei gebieden in de maatschappij, bijvoorbeeld voor medicijnontwikkeling. Door te kijken naar hoe snel atomen en moleculen trillen, kunnen we veel leren over hun eigenschappen en hoe ze werken.

Moleculen vangen en beschieten 

Hoe maak je die trillingen zichtbaar? Koelemeij sluit moleculen op in een vacuümkamer, waar ze volledig geïsoleerd zijn van externe invloeden zoals magneetvelden. Door er een laserbundel op te schieten brengt hij het molecuul aan het trillen en telt hij het aantal trillingen per seconde. “We kunnen die frequentie meten met wel twaalf cijfers achter de komma.” Voor het meten van trillingsfrequentie heb je een zeer nauwkeurige klok nodig: een atoomklok. Die ziet er overigens niet erg science-fiction-achtig uit: een grijze platte doos die vooral doet denken aan een dvd-speler.

Precieze atoomklok

“Tot dusver hebben we het allemaal met de atoomklok in ons eigen lab kunnen doen, maar voor de volgende generatie experimenten willen we meten met 14 tot 17 cijfers achter de komma. Zo’n precieze atoomklok kun je niet gewoon kopen; die moet je zelf bouwen en dat is heel duur.” Nu heeft ieder land zijn eigen nationale meetinstituut dat de officiële tijd bijhoudt. In Nederland is dat VSL in Delft. “We hadden dus toegang nodig tot de atoomklokken van VSL, die 10 tot 100 keer beter zijn dan die van ons. Daar kunnen we de komende jaren mee vooruit.”

Stabielere metingen

Om dat mogelijk te maken, gebruikt Koelemeij de SURF Time&Frequency-dienstverlening. Een glasvezelkabel - zo dun als een haar, waar data doorheen schieten met de snelheid van het licht – haalt de klok in Delft als het ware naar Amsterdam. “Afgelopen zomer is die verbinding aangelegd. We zagen direct een enorme verbetering: de metingen zijn nu veel stabieler en daar zijn onze onderzoekers heel blij mee. Wat er eerst uitzag als een enorme berg van zes maanden aan metingen, kunnen we nu in een maand doen.”

Het atoomkloksignaal van VSL heeft een fractie van een milliseconde nodig om de 100 kilometer naar Amsterdam af te leggen. “Daarnaast zorgen veranderingen in de omgevingstemperatuur ervoor dat de glasvezel in de grond krimpt en uitzet. Dit veroorzaakt variaties in het signaal, waardoor het lijkt alsof de atoomklok in Delft voortdurend van ons af en naar ons toe beweegt.” Zogeheten White Rabbit-netwerkapparatuur, speciaal voor deze toepassing aangelegd door SURF, meet deze variaties en corrigeert ze. Dit maakt de metingen veel betrouwbaarder. Het protocol dat hieraan ten grondslag ligt, is ooit ontwikkeld en open-source beschikbaar gemaakt door CERN in Genève en wordt inmiddels wereldwijd gebruikt.

Veiliger alternatief voor gps 

Time&Frequency-transfer heeft nog een andere interessante toepassing, waarvoor we moeten uitzoomen van het atoom naar het wereldtoneel: de technologie is nauwkeuriger en veiliger dan het navigatiesysteem gps. Behalve moleculen meten, doet Koelemeij daarom ook onderzoek naar de Time&Frequentietechnologie zélf. 

Het gps-systeem bestaat uit satellieten die rond de aarde draaien met aan boord een paar atoomklokken, die om de zoveel tijd radiosignalen naar de aarde sturen. Gps-ontvangers op aarde, bijvoorbeeld die in je telefoon, vangen deze signalen op. Omdat de satellieten zich op verschillende afstanden van je telefoon bevinden, komen de signalen niet tegelijk binnen. Door het tijdsverschil tussen de signalen te berekenen, bepaalt je telefoon waar je bent en zet de klok gelijk met die van het gps-systeem. Dit gebeurt met een nauwkeurigheid van enkele nanoseconden (miljardste van een seconde) en enkele meters. Maar het kan nóg nauwkeuriger. 

 “Met het SURF-netwerk kunnen we naar fracties van nanoseconden en een locatiebepaling tot op 10 centimeter,” licht Koelemeij toe. “Dat is dus veel nauwkeuriger.”  De glasvezelverbinding biedt ook voordelen ten opzichte van gps. Zo heeft deze geen last van verstoringen door bebouwing, iets waar gps-signalen wel door beïnvloed worden, bijvoorbeeld in stedelijke gebieden, onder de grond of in afgeschermde labs.

Satellieten frituren

Daarnaast zijn er zorgen over de veiligheid van gps en de mogelijke gevolgen van langdurige gps-uitval. “Talloze bedrijven en instanties gebruiken gps voor navigatie en om te weten hoe laat het is. Maar een grote zonnevlam kan al die satellieten frituren, of ze kunnen gehackt of verstoord worden door vijandige partijen.  Dan werken die systemen niet meer, en kun je mogelijk niet meer bellen of pinnen. Het systeem van SURF biedt een robuust alternatief dat minder vatbaar is voor verstoringen dan gps. In de toekomst wordt het misschien wel essentieel voor onze samenleving. Voor mij een belangrijke reden om dit onderzoek te doen.”

Tekst: Josje Spinhoven
Foto’s: Vera Duivenvoorden